混凝土收缩变形对拦河坝面板裂缝影响研究

收缩变形与拦河坝面板裂缝的关联研究，既是混凝土材料科学与结构工程的交叉课题，也直面工程实践中的迫切需求。现有研究多聚焦单一收缩类型的影响，对多因素耦合作用的系统性分析不足，尤其缺乏结合具体工程环境的量化关联验证。本研究以收缩变形为切入点，解析其与裂缝的内在关联，明确关键影响因素，旨在为提升拦河坝面板结构耐久性提供理论支撑与技术参考。

一、混凝土收缩变形类型及机理

（一）温度收缩变形

环境温度升降时，混凝土会随之产生热胀冷缩，而由于材料导热性能限制，其内部与表面存在温度梯度[1]。当环境温度快速下降，如昼夜温差剧烈或冬季低温来袭，混凝土表面率先降温收缩，内部因热量散发较慢仍处于相对高温状态，形成对表面收缩的约束。这种约束作用产生的拉应力，若超过混凝土自身的极限拉伸值，便会导致表面或内部出现裂缝。

丰宁抽水蓄能电站下水库拦河坝（下文简称丰宁拦河坝）施工期间（2019 年4 月30 日至6 月11日，43 天），有14 天昼夜温差超过20℃，5 月2 日甚至达到23℃。如此剧烈的昼夜温差，使面板混凝土表面与内部形成显著温度梯度，约束应力持续累积，引发局部应力集中。进入冬季后，极端低温降至-30℃，混凝土整体收缩幅度增大，而受坝体基础及周边结构的刚性约束，收缩受阻产生的拉应力进一步加剧，导致裂缝数量在经历冬季后显著增加，充分体现温度收缩变形对面板开裂的影响。

（二）自生收缩变形

水泥颗粒与水接触后发生水化，生成水化硅酸钙等凝胶体，这一过程会持续消耗混凝土内部水分，导致凝胶体因水分不足而产生体积收缩。这种收缩并非外部水分流失所致，而是在混凝土内部相对封闭的环境中，由水化产物自身结构变化引发的体积缩减。丰宁拦河坝面板混凝土采用 P⋅O42.5 散装水泥。此类水泥水化反应较为剧烈，水化热释放量较高，会加速水化进程，凝胶体生成速度也随之加快，收缩作用更集中。混凝土中的粗、细骨料自身变形极小，会对周围收缩的凝胶体形成刚性约束，当这种约束产生的拉应力累积到超过混凝土的极限拉伸能力时，便可能在骨料与凝胶体的界面处或混凝土内部产生微裂缝，进而发展为可见裂缝。

（三）干燥收缩变形

混凝土暴露于空气中时，表面水分会因蒸发不断流失，内部水分持续向表面迁移补充，形成由内至外的湿度梯度。水泥凝胶体因失去水分支撑而逐渐收缩，带动混凝土整体体积缩减，这种收缩的剧烈程度与水分流失速度、内部湿度分布密切相关，表面养护措施是否及时有效直接影响收缩幅度 。

丰宁拦河坝面板施工期间，风力常达 2-6♯♯ ，如5 月19 日出现西北风5-6 级，强风会加速表面水分蒸发速率，使混凝土表层在短时间内失水过快，与内部形成显著湿度差，收缩应力集中于表面。同时，细骨料石粉含量为 8.7%11.8% ，接近设计上限 12.0% ，石粉颗粒细小且比表面积大，吸附水分能力强，干燥时失水更为明显，且其分布不均会导致混凝土各区域干燥收缩程度差异增大，局部收缩应力超过材料极限拉伸值，进而引发裂缝。

二、收缩变形影响因素量化分析

（一）原材料对收缩变形的影响

高强度水泥水化更剧烈，水化产物多，收缩随之增大；水泥用量每增加 10% ，收缩值约提升 8% ；不同品种水泥差异明显，矿渣水泥比普通硅酸盐水泥收缩大 15% 左右，因矿渣颗粒细化促进水化反应。骨料的约束作用不可忽视，弹性模量大的骨料能更好限制水泥石收缩，玄武岩骨料混凝土收缩比石灰岩骨料低 12% ；骨料粒径增大，收缩减小， 20mm 粒径骨料比 10mm 粒径收缩低 9% 。减水剂可降低收缩，聚羧酸减水剂掺量 1.5%H} ，混凝土收缩比基准组低 18% ；引气剂会使收缩略有增加，掺量 0.05% 时，收缩增加 5% ；膨胀剂在早期抑制收缩，后期效果减弱，UEA 膨胀剂掺量8%时，3 个月收缩比基准组低 22% ，6 个月仅低 7% 。

丰宁拦河坝面板混凝土所用细骨料为特种砂，石粉颗粒细小且比表面积大，对水分的吸附能力强，当混凝土表面水分蒸发时，石粉会更快失去吸附水，导致其周围水泥凝胶体收缩更剧烈，且石粉分布不均会使各区域收缩程度差异显著，形成局部应力集中。粗骨料虽自身变形小，但检测显示其存在4%-7%的裹粉现象，且裹粉分布不均匀，这会降低骨料与水泥浆体的界面粘结力，干燥收缩发生时，界面处易因应力传递不畅产生裂缝。粗骨料超径、逊径含量均为 4%-7% ，级配的细微波动会影响混凝土整体密实度，密实度低的区域水分迁移更快，收缩更明显，进一步加剧干燥收缩的不均匀性。

外加剂中引气剂 GK-9A 含气量为 5.3% ，处于 4.5%5.5% 的规范范围内，引入的微小气泡可通过自身变形缓解部分收缩应力，但气泡数量有限且分布难以完全均匀，对干燥收缩的抑制作用较弱。施工中风力达 2-6 级时，表面水分蒸发加速，石粉与裹粉骨料的特性会放大这种快速失水的影响，使干燥收缩应力在短时间内累积，当超过混凝土表面极限拉伸值时，便会引发裂缝。

施工环境对收缩变形的影响

温度对混凝土收缩的作用呈现阶段性特征，浇筑温度从 20℃升至 30^∘C ，混凝土 1 天龄期收缩量增加 25% ，3 天龄期增加 18% 。高温环境加速水泥水化进程，70℃养护条件下，混凝土7 天收缩比20℃养护高 40% ，但后期收缩增速放缓，28 天收缩差值缩小至 15% 。环境温度骤降时收缩更为显著，日温差15℃时，混凝土表面收缩量比恒温环境高 30% ，易引发表面微裂缝[3]。

风力通过加速水分蒸发影响收缩，例如3 级风环境中，混凝土表面水分蒸发速率是静风环境的2.3倍，对应表面收缩量增加 17% ；5 级风条件下，蒸发速率达静风环境的 4 倍，表面与内部收缩差扩大至 220με ，超过临界值 180με 时会出现可见裂缝。持续风力作用使早期收缩峰值提前，6 级风环境中，混凝土收缩峰值比静风环境早出现12 小时，峰值收缩量增加 28% 。

丰宁拦河坝面板施工期间，环境温度跨度达 1-34^∘C ，入仓混凝土温度为 8-23.5℃，两者的耦合作用使混凝土内部形成复杂温度场。当昼夜温差超过20℃（如5 月2 日温差23℃、6 月7 日温差 21^c) ），14 天的强温差过程中，混凝土表面因快速降温收缩，内部仍保持较高温度，这种内外温差引发的约束应力持续叠加，温度应力增量随温差天数累积而升高，超过材料极限拉伸值时便会诱发裂缝。冬季极端低温达-30℃，进一步放大了全年温度波动的影响，使已存在的温度应力集中区域更易开裂。

施工中风力常达3-6 级，如5 月19 日出现西北风5-6 级，强风直接加速混凝土表面水分蒸发速率。相关数据显示，3 级以上风力可使干燥收缩速率提升 20%-30% ，表面水分快速流失导致表层混凝土率先收缩，与内部形成湿度梯度，干燥收缩应力集中于表面。即便采用土工布花管流水保湿养护，在5-6级风力作用下，局部区域仍可能出现养护不及时，加剧干燥收缩的不均匀性，使表面裂缝发生概率显著增加。

三、收缩变形与面板裂缝的关联验证

（一）时空分布关联

丰宁拦河坝面板施工的43 天中，14 天昼夜温差超过 20^∘C ，这些时段施工的面板裂缝数量占比达60% 。5#面板施工于5 月19 日，当日环境温度11-14℃，但昼夜温差显著，且遭遇西南风转西北风5-6级，其裂缝排查显示6 条裂缝总长18.1m，缝宽 0.21-0.25mm ；7#面板施工于5 月16 日，环境温度6-26℃，温差达20℃，出现7 条裂缝，总长 11.55m ；15#面板施工于5 月4 日，环境温度6-21℃，温差15℃，但后续经历多次超20℃温差影响，裂缝总长 20.8m 。

经历 2019 年冬季后，低温达- 30^∘C ，2020 年 7 月裂缝排查显示，裂缝总数较 2019 年 9 月增长 81条。新增裂缝中，B 类缝占比 92.6% （96 条），主要分布于1#、3#、6#等前期已出现裂缝的面板，且多为原有裂缝延伸或相邻区域新产生。如 3#面板 2019 年有 5 条裂缝，2020 年新增 1 条长 2.5m 的 B类缝；6#面板新增5 条裂缝，总长 18.7m 。

（二）裂缝特征与收缩类型匹配

B 类裂缝宽度集中在 0.2-0.29mm ，其形态与温度收缩变形特征高度匹配。3#仓施工于5 月23 日，当日环境温度 8-33^∘C ，昼夜温差达25℃，远超常规范围。混凝土浇筑后，表面因快速降温收缩，内部受水化热影响仍处于相对高温状态，形成显著内外温差，约束应力持续累积。该仓共出现5 条B 类裂缝，总长 24.7m ，缝宽 0.2-0.22mm ，裂缝走向多平行于面板长边，呈现温度应力主导下的规则分布，与温度收缩引发的单向应力集中特征一致。

C/D 类裂缝宽度 ≥0.25mm ，其发育多与温度收缩和干燥收缩叠加相关。6#仓 D 类缝长 5.6m，宽0.44mm ，施工于 6 月 8 日，环境温度 8-26℃，昼夜温差 18℃，同时伴随西南风 3 级。温度波动引发混凝土内部温度应力，风力则加速表面水分蒸发，导致干燥收缩加剧。两种收缩效应叠加，使局部应力远超材料极限拉伸值，形成较宽裂缝。该仓另有多条C 类缝，如长7.3m、宽 0.31mm 的裂缝，施工时同样遭遇8-26℃温差与持续风力，裂缝宽度和长度均超过单一收缩作用下的B 类缝。

（三）约束条件的放大效应

拦河坝面板浇筑前铺设的碾压砂浆层表面粗糙，不平整度控制在±5cm 且未设置分缝，形成连续的刚性约束面。混凝土凝固后产生的收缩变形（温度收缩、干燥收缩等）受此约束无法自由释放，应力在约束最强的区域集中累积，裂缝便倾向于在这些部位密集出现。

23#仓面板施工于5 月14 日，环境温度2-25℃，入仓混凝土温度19℃，浇筑温度19.5℃，施工期间风力为西南风3-4 级。该仓裂缝集中分布于坝体中部1042m高程——此区域恰是坝体最大沉降83mm的发生处，坝体沉降进一步强化了基础约束作用。排查显示，23#仓共 10 条裂缝，总长 44.4m，其中8 条为 B 类缝（宽 0.2-0.23mm) ），2 条为 A 类缝（ ♯_⊥0.09-0.11mm) ），裂缝走向多垂直于坝体轴线，与约束应力的传递方向一致。

其他面板的裂缝分布也呈现类似规律：约束相对较弱的边缘区域裂缝数量少、长度短，而中部约束较强区域裂缝更密集。如5#仓施工时遭遇5-6 级西北风，干燥收缩显著，其6 条裂缝均集中在面板中部，总长19.9m，缝宽 0.21-0.25mm ，正是约束条件与收缩变形叠加作用的结果。

四、工程优化建议

温控措施需针对性强化，施工期应动态监测昼夜温差，避开超15℃时段安排浇筑，必要时调整作业时间至早晚温稳阶段，减少温度应力累积。冬季需增厚 XPS 保温板至 5cm 以上，外层覆盖双层防风帆布，形成复合保温体系，降低极端低温对面板的影响，削弱温度收缩的剧烈程度。

原材料优化需聚焦关键指标，骨料加工环节强化筛分工艺，确保细骨料石粉含量稳定控制在 10% 以内，减少干燥收缩不均风险。混凝土配合比中掺加Ⅰ级粉煤灰，替代 15%-20% 水泥用量，利用其低水化热特性降低自生收缩，同时借助火山灰效应改善浆体黏聚性，缓解骨料与凝胶体的界面应力。

施工工艺改进需直击约束与养护痛点，遇3 级以上风力时，加密养护频次，每2 小时对面板表面洒水一次，配合土工布覆盖保持湿润，延缓表面水分蒸发速率[4]。碾压砂浆层施工时，按 6m 间距增设横向分缝，缝宽2cm 并填充弹性密封材料，通过分缝构造释放收缩约束，避免应力集中于面板中部区域。

五、结束语

综上所述，本研究明确混凝土收缩变形对拦河坝面板裂缝的作用机制，揭示温度收缩的主导地位及多收缩类型的叠加效应，厘清了原材料、施工环境与基础约束的关键影响。未来需深化多因素动态耦合下的收缩规律研究，结合新型低热材料与智能化温控技术，探索主动调控收缩变形的路径，推动拦河坝面板抗裂技术升级，为水利工程长效运维奠定更坚实的基础。

参考文献

[1] 李江 鸿. 不同环 境温度对 纤维混凝 土路 面收缩开裂 的演化规 律研究[J]. 山西建筑,2024,50(18):136-139.

[2]陈银.建筑工程混凝土结构开裂分析[J].住宅与房地产,2021,(15):184-185.

[3]顾军.钢筋混凝土结构裂缝的原因与防治策略探究[J].大众标准化,2020,(24):18-19.

[4]张克杰.混凝土施工期裂缝探究[J].建筑工人,2020,41(05):6-8.